درک بشر از جهان، درحال تغییر است

حلقه مغناطیس Muon g-2 در آزمایشگاه فرمی در شیکاگو که شواهد جدید در آن آشکار شده‌است شواهد اخیرا آشکارشده در شتابگرهای سرن، آزمایشگاه فرمی و آزمایشگاه بروک‌هاون با آنچه امروز از سازوکار جهان می‌دانیم، هم‌خوانی ندارد و این شواهد ممکن است ما را به آنچه در انتظارش هستیم، نزدیک‌تر کند: فیزیک فراتر از مدل استاندارد.مدل استاندارد ذرات بنیادی، بدون شک یک از بزرگ‌ترین دستاوردهای بشر تا به امروز است. این نظریه، توضیح می‌دهد که بنیادی‌ترین قطعات و آجرهای این ساختمان عظیم کیهان، چطور کنارهم قرار گرفته و جهان ما را می‌سازند. این نظریه پیچیده ریاضی، حاصل تلاش جمعی بسیاری از فیزیک‌دانان نظری در نیمه دوم قرن بیستم است.اگر بخواهیم قدرت ذهن بشر را به یک تمدن فرازمینی نشان دهیم قطعا یکی از نمادهای آن، مدل استاندارد ذرات بنیادی است. مثلا در لوح وویجر که برای تمدن‌های فرازمینی ساخته شده و الان در سفری کهکشانی به سمت دوردست‌های منظومه شمسی، میلیاردها کیلومتر از زمین دور شده، به پیشنهاد کارل سگن، مقدار فرکانس تابش گذار به حالت پایه اتم هیدروژن درج شده‌است. این عدد به‌تنهایی نشان می‌دهد که این موجود دوپای روی کره زمین، چطور توانسته با ذهن خود، عمیق‌ترین مکانیزم‌های عالم را درک کند. بنابراین اگر بگوییم مدل استاندارد ذرات بنیادی تا امروز «لب لباب خرد بشری» است، گزاف نگفته‌ایم.مدل استاندارد چیست و چه می گوید؟مطابق مدل استاندارد، عالم از دو نوع ذره تشکیل شده:۱. ذرات حامل نیرو (بوزون‌ها) مانند فوتون که ذرات تشکیل‌دهنده نور هستند.۲. ذرات تشکیل‌دهنده ماده (فرمیون‌ها) مانند الکترون که در مدارهای الکتریکی دستگاه‌های روزمره جاری هستند یا کوارک‌ها که هسته اتم‌ها را می‌سازند.نمایش شماتیک ذرات در مدل استاندارد ذرات بنیادی در این نظریه، برهم‌کنش ۳ نیروی بنیادی عالم (الکترومغناطیسی، هسته‌ای صعیف و هسته‌ای قوی) به همراه ماده موجود در عالم، می‌تواند تمام تاریخ ۱۳.۸ میلیارد ساله جهان ما را از چند لحظه بعداز تکینگی اولیه تا به امروز را توضیح دهد؛ از شکل‌گیری ستاره‌های اولیه تا انفجارهای ابرنواختری که اتم‌ها اصلی برای شکل‌گیری حیات روی زمین را تامین کرده‌اند.اما شواهد جدید که حاصل به‌کاربردن فناوری‌های نوین در پژوهش‌های فیزیک تجربی است، نشان می‌دهد که حالا وقت آن رسیده که فیزیک‌دانان نظری به سراغ مدل‌های جدیدتری بروند که کامل‌تر و دقیق‌تر از قبل بتواند به درک ما از سازوکار عالم کمک کند.اما شواهد جدید چیست؟اواخر مارس ۲۰۲۱، سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای (سرن) اعلام کرد که شواهدی پیدا کرده که در واپاشی «کوارک زیر» (یک ذره بنیادی در مدل استاندارد) مغایرت‌هایی با پیش‌بینی مدل استاندارد را نشان می‌دهد. در شتابگر LHC در این مرکز، در سوییس، ذرات را با استفاده از نیروی الکترومعناطیسی در دایره‌ای به‌طول ۲۷ کیلومتر، شتاب می‌دهند تا به سرعتی نزدیک سرعت نور برسند. سپس این ذرات پرانرژی را در یک برخورد سربه سر به هم می‌کوبانند. انرژی ناشی از این برخورد آن‌قدر زیاد است که نقاطی از عالم را به ما نشان می‌دهد که پیش از این مشاهده آنها برای ما امکان‌پذیر نبود.نتایج واپاشی کوارک ته، در شتابگر LHC در سرن در یکی از این آزمایش‌ها، یکی از ذرات حاصل از این برخورد پرانرژی «کوارک زیر» بود. این ذره طول عمر کوتاهی دارد و بعد از زمان بسیار اندکی، به ذرات دیگری واپاشیده می‌شود. مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کرد که در محصولات این واپاشی، به یک مقدار از الکترون و میون وجود داشته‌باشد. اما برخلاف تصور، این نتیجه حاصل نشد. مقدار الکترون خیلی بیشتر بود. این مغایرت ممکن است به‌خاطر وجود یک ذره بنیادی ناشناخته باشد یا به‌خاطر وجود یک نیروی دیگر که شناختی از آن نداریم.اما در تجربه دیگری که در ۷ آوریل ۲۰۲۱ اعلام شد، آزمایشگاه فرمی واقع در شیکاگو که دومین شتابگر دنیا (از نظر انرژی بعد از LHC) در آن مستقر است، رفتاری را در اندازه‌گیری عامل g میون مشاهده کرده که با آنچه مدل استاندارد پیش‌بینی می کند بسیار فاصله دارد.این آزمایش مدت زیادی و با دقت بسیار بالا تکرار شده و برای همین جامعه فیزیک نظری را به هیجان آورده که ممکن است اینجا شواهد جدی برای درک آنچه فیزیک جدید می‌نامیم، وجود داشته‌باشد.میون، دریچه فیزیک جدیدوزن ذره میون حدود ۲۰۰ برابر از پسر عمویش، الکترون بیشتر است. بقیه ویژگی‌های میون، عین الکترون است. میون‌ها در طبیعت از برخورد پرتوهای کیهانی با جو زمین به‌وجود می‌آیند اما در شتابگرها می‌توان مقدار زیادی از آنها را تولید کرد. میون و الکترون، یک خاصیت ذاتی آهنربایی (مغناطیسی) دارند که به آن عامل g می‌گویند. عامل g (مومان مغناطیسی) یک ذره یا یک آهنربا، کمیتی بدون بعد است که معیاری از تمایل آن به هم‌خط شدن با یک میدان مغناطیسی را نشان می‌دهد. این عدد را می‌توان با دقت فوق‌العاده بالا محاسبه کرد.تصویرسازی شماتیک از آزمایش انجام شده در آزمایشگاه فرمی در آزمایشگاه فرمی، میون‌ها را در میدان مغناطیسی به‌ گردش در می‌آورند. این ذرات در حین چرخیدن در حلقه، با ذرات زیراتمی (با طول عمر بسیار کوتاه) که در محیط قرار دارند تعامل می‌کنند. این برهم‌کنش‌ها بر مقدار عامل g تأثیر می‌گذارد و باعث می‌شود که سرعت میون‌ها هنگام چرخش، کم و زیاد شود. مدل استاندارد می‌تواند این ناهنجاری را بسیار دقیق پیش‌بینی کند. اما اگر محیط حاوی نیروها یا ذراتی ناشناخته باشد که توسط مدل استاندارد محاسبه نشده‌اند، عامل g میون تغییر می‌کند.تفاوت مشاهده شده در آزمایش آزمایشگاه فرمی با محاسبه نظری، آن قدر زیاد و آزمایش آن‌قدر دقیق بوده که حالا فیزیک‌دانان فکر می‌کنند به‌طور غیرمستقیم، چیز جدیدی را می‌بینند که قبلا از وجودش در طبیعت باخبر نبوده‌اند.این تفاوت، سال ۲۰۰۱ در آزمایشگاه ملی بروک‌هاون در نیویورک (آزمایش DOE) هم مشاهده شده‌بود و حالا آزمایشگاه فرمی آن شواهد را بسیار دقیق‌تر، تایید کرده‌است.تقاوت مقدار به‌دست آمده از آزمایش ازمایشگاه فرمی و بروک‌هاون با مقدار نظری به‌دست آمده از محاسبه با ترکیب نتایج دو آزمایش، فیزیک‌دانان تجربی به دقت بسیار بالای ۴.۲ سیگما (انحراف معیار) رسیده‌اند که هرچند هنوز از لجاظ نظری به مقداری که بتوان اسم آن را «کشف جدید» گذاشت (۵ سیگما) فاصله دارد اما احتمال اینکه نتایج ناشی از یک ذره یا نیروی جدید نباشد و تنها یک خطای آماری باشد، حدود ۱ در ۴۰هزار است.فیزیک جدید در راه است؟واقعیت این است تقریبا سه دهه است که فیزیکدانان نظری مطمئن بودند که مدل استاندارد ذرات بنیادی، با همه قابلیت‌هایی که دارد و همه نتایج درخشانی که در تاریخ داشته‌است، نظریه‌ای ناقص است. این مدل از توضیح حدود ۹۵درصد انرژی جهان عاجز است.این مقدار انرژی ناشناخته، از ۲ جز تشکیل شده‌است. اسم بخشی از آن را ماده تاریک گذاشته‌اند که عامل چسبنده اجزای کهکشان به هم است. اسم بخش دیگر آن را انرژی تاریک گذاشته‌اند که عامل شتاب تندشونده عالم است. این دو چیزهایی هستند که از ماهیت آنها هیچ اطلاع درستی نداریم.قطاع زردرنگ، آن مقدار از ماده و انرژی عالم است که با مدل استاندارد قادر به ضیح آن هستیم. برای بقیه انرژی عالم توضیحی نداریم و آن را ماده تاریک و انرژی تاریک نام گذاشته‌ایم با این‌حال بالاخره در سال‌های اخیر با پیشرفت فناوری‌های آزمایشگاهی و ساخت دستگاه‌های بسیار گران‌قمیت و کنارهم گذاشتن توان پردازش تعداد بسیار زیادی ابزار محاسبه و استفاده از ذهن صدها پژوهشگر فیزیک تجربی و محاسیاتی در کنارهم، تازه توانسته‌ایم به شواهد بسیار ناچیزی از آنچه در دهه‌ها یا حتی شاید قرن‌های بعد، بشر به‌عنوان فیزیک نظری خواهد شناخت، نزدیک شویم.برای مقایسه می‌توان به اواخر قرن نوزدهم میلادی مراجعه کرد. از وقتی نخستین شواهد مبنی بر نقص فیزیک کلاسیک در توجیه پدیده‌هایی مانند تابش جسم سیاه مشاهده شد، تا زمانی که مکانیک کوانتمی توسط شاگردان نیلز بور در دهه ۱۹۲۰ تدوین شد، حدود نیم‌قرن طول کشید. لذا شاید کشف آنچه فیزیک جدید می‌نامیم، همین حدود یا کمتر و بیشتر زمان ببرد.اما آنچه از آن مطمئن هستیم این است که تا آن زمان، با پیشرفت فناوری‌های تجربی و محاسباتی، پدیده‌های بیشتر و بیشتری مشاهده خواهند شد که با مدل استاندارد ذرات بنیادی، هم‌خوانی نخواهد داشت.